北京奔馳機(jī)器人WorkShop的建立與應(yīng)用分析

潘曉剛，武揚(yáng)，王欣，王樸，李魯輝

（北京奔馳汽車有限公司，北京 102600）

1 實(shí)施背景與意義

1.1 實(shí)施背景

機(jī)器人在長期運(yùn)行中出現(xiàn)的問題主要集中在兩方面：本體機(jī)械類和電氣軟件類。本體機(jī)械類主要為：中心手漏油、中心手運(yùn)行異響、平衡缸軸承損壞等問題。電氣軟件類主要為機(jī)器人PC系統(tǒng)故障、機(jī)器人工藝包系統(tǒng)故障、驅(qū)動(dòng)類模塊損壞、CCU板燒毀和試教器損壞等內(nèi)容，如圖1和圖2所示。

圖1 機(jī)器人機(jī)械類重點(diǎn)問題

圖2 機(jī)器人電氣與程序類重點(diǎn)問題

1.2 實(shí)施意義

1.2.1精益管理，減少備件消耗

高度自動(dòng)化生產(chǎn)線依托于大量的機(jī)器人運(yùn)轉(zhuǎn)。在生產(chǎn)運(yùn)營過程中，為保證現(xiàn)場機(jī)器人設(shè)備的快速恢復(fù)，“救火式”搶修大量使用新備件產(chǎn)生了高額的備件費(fèi)用，不利于實(shí)現(xiàn)“精益管理”的成本控制目標(biāo)。返廠維修備件有時(shí)間和質(zhì)量兩方面不可控因素。

1.2.2高質(zhì)量要求，保證高運(yùn)行精度

北京奔馳對產(chǎn)品的高質(zhì)量要求，意味著機(jī)器人的運(yùn)行精度需要非常高。長期的設(shè)備帶載運(yùn)行會(huì)造成中心手漏油、中心手異響等問題。如果未經(jīng)運(yùn)行精度測試的返修中心手應(yīng)用于現(xiàn)場，將導(dǎo)致機(jī)器人運(yùn)行軌跡出現(xiàn)偏差，直接影響產(chǎn)品品質(zhì)。為此需要建立一個(gè)可以對機(jī)器人運(yùn)行精度進(jìn)行測量的平臺，用于保證中心手的精度測試。

1.2.3保障生產(chǎn)，快速實(shí)現(xiàn)軟件與系統(tǒng)恢復(fù)

KUKA機(jī)器人系統(tǒng)軟件運(yùn)行在Windows系統(tǒng)下，機(jī)器人控制器KPC結(jié)構(gòu)類似普通的PC架構(gòu)。在裝焊車間的工業(yè)環(huán)境下運(yùn)行，機(jī)器人PC軟件和硬盤都存在著系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)和硬盤損壞現(xiàn)象。為實(shí)現(xiàn)快速恢復(fù)系統(tǒng)故障，需要建立機(jī)器人硬盤備份制作與嚴(yán)格的備份質(zhì)量管理、工藝包系統(tǒng)升級測試等功能。

1.2.4利用大數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)智能化管理與預(yù)測性維護(hù)

隨著網(wǎng)絡(luò)與大數(shù)據(jù)的快速發(fā)展，研究并實(shí)現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的大數(shù)據(jù)平臺開發(fā)應(yīng)用、機(jī)器人實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控、分析機(jī)器人故障根本原因、智能化管理預(yù)防性維護(hù)工單。并通過各種數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)，提前發(fā)現(xiàn)隱患問題，避免大停機(jī)發(fā)生。擺脫了對機(jī)器人的“重癥搶救式維修工作”，實(shí)施機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)動(dòng)態(tài)監(jiān)控及預(yù)測性維護(hù)工作，對設(shè)備健康程度有效監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)重大故障的提前預(yù)知與前期處理。

2 項(xiàng)目內(nèi)涵

基于以上研究，北京奔馳技術(shù)維護(hù)團(tuán)隊(duì)建立了機(jī)器人Workshop完整的技術(shù)與管理體系。基于機(jī)器人的機(jī)電備件自主維修與基于大數(shù)據(jù)的預(yù)測性維護(hù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人技術(shù)研究與機(jī)器人管理的“軟”“硬”兼施。從設(shè)備部件、大數(shù)據(jù)應(yīng)用智能化管理與預(yù)測性維護(hù)的角度出發(fā)，分為4個(gè)核心板塊，全方位解決機(jī)器人技術(shù)可能存在的問題。

圖3 機(jī)器人Workshop4大板塊

3 項(xiàng)目內(nèi)容與創(chuàng)新型

3.1 機(jī)器人機(jī)電備件維修中心的建立與應(yīng)用

為保證機(jī)器人故障的快速恢復(fù)，“救火式”搶修大量使用新備件需要高額的備件費(fèi)用，不利于實(shí)現(xiàn)“精益管理”的成本控制目標(biāo)。返廠維修時(shí)效性不足，無法實(shí)現(xiàn)備件的正常輪轉(zhuǎn)。且返修備件質(zhì)量不能完全保證，可能造成現(xiàn)場二次停機(jī)，導(dǎo)致人力和產(chǎn)能浪費(fèi)。

針對此問題，建立起了機(jī)器人機(jī)電備件維修中心。自主研究了 KUKA機(jī)器人核心備件維修技術(shù)，自主設(shè)計(jì)機(jī)器人維修專用工具并申請專利，同時(shí)建立備件維修標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程（SWI）體系。實(shí)現(xiàn)了KUKA機(jī)器人平衡缸、機(jī)器人中心手、控制柜CCU主板X3端口、PC風(fēng)扇及試教器等常用備件的自維修,且滿足備件時(shí)效性和質(zhì)量可靠性。實(shí)現(xiàn)機(jī)器人多備件的自主維修并保證質(zhì)量可靠性，大大節(jié)省備件成本。

3.1.1機(jī)器人控制柜PC風(fēng)扇的更換與應(yīng)急方案

控制柜內(nèi)PC散熱風(fēng)扇出現(xiàn)扇葉卡死、轉(zhuǎn)速低等問題，造成PC電腦超溫死機(jī)現(xiàn)象，深度清潔PC灰塵并更換風(fēng)扇。

圖4 機(jī)器人PC風(fēng)扇更換與應(yīng)急方案

3.1.2機(jī)器人示教器維修與測試

針對試教器鑰匙模塊、急停模塊、主板故障以及屏幕碎屏等故障進(jìn)行修理。

圖5 機(jī)器人試教器維修與測試

3.1.3機(jī)器人中心手張緊桿自主維修

重載機(jī)器人更換皮帶時(shí)，需要反復(fù)調(diào)整皮帶張緊力。容易造成張緊桿螺母桿斷裂現(xiàn)象發(fā)生。重新設(shè)計(jì)加工張緊桿，完成中心手維修。經(jīng)負(fù)載測試中心測試正常。

圖6 機(jī)器人中心手張緊桿自主維修

3.2 機(jī)器人負(fù)載測試平臺的建立與應(yīng)用

機(jī)器人返修備件未經(jīng)過帶載測試其穩(wěn)定性，直接應(yīng)用到現(xiàn)場，可能存在帶載不可用情況，導(dǎo)致二次停機(jī)，并影響故障判斷，造成產(chǎn)量缺失和人力浪費(fèi)。

3.2.1機(jī)器人負(fù)載測試站的建立

針對此問題，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人電氣、機(jī)械返修備件在負(fù)載狀態(tài)下的運(yùn)行測試及相關(guān)數(shù)據(jù)的監(jiān)控與分析，建立了機(jī)器人負(fù)載測試站。

通過調(diào)整機(jī)器人前端負(fù)載配重裝置和運(yùn)行速度完全模擬現(xiàn)場不同工況，并將機(jī)器人運(yùn)行數(shù)據(jù)與大數(shù)據(jù)平臺連接，通過專用軟件分析比對機(jī)器人的電流、扭矩、速度等關(guān)鍵參數(shù)，完成數(shù)據(jù)擬合曲線，并與樣板模型匹配分析，保證備件可靠性。實(shí)現(xiàn)在負(fù)載狀態(tài)下進(jìn)行機(jī)器人KPP電源模塊、KSP驅(qū)動(dòng)模塊、PC主機(jī)、CCU主板、伺服電機(jī)等負(fù)載運(yùn)行測試流程及數(shù)據(jù)監(jiān)控分析。

圖7 機(jī)器人負(fù)載測試站

3.2.2機(jī)電備件返修測試單體系建立于數(shù)據(jù)分析

圖8 機(jī)器人平衡缸維修測試單

3.3 機(jī)器人系統(tǒng)軟件管理

KUKA機(jī)器人系統(tǒng)軟件運(yùn)行在Windows系統(tǒng)下，機(jī)器人控制器KPC結(jié)構(gòu)類似普通的PC架構(gòu)。在裝焊車間的工業(yè)環(huán)境下運(yùn)行，機(jī)器人PC軟件和硬盤都存在著系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)和硬盤損壞的現(xiàn)象。

針對此問題，為快速恢復(fù)系統(tǒng)故障，制定了機(jī)器人系統(tǒng)安全與備份管理方案和機(jī)器人系統(tǒng)安全體系與快速恢復(fù)流程。提前制作備份硬盤和純凈系統(tǒng)硬盤，并實(shí)現(xiàn)機(jī)器人操作系統(tǒng)、工藝包、防病毒軟件的自主升級測試。

另外，制定了MSB數(shù)據(jù)平臺管理方法，基于物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的大數(shù)據(jù)平臺開發(fā)應(yīng)用，建立起機(jī)器人大數(shù)據(jù)預(yù)測性維護(hù)（PDM）智能管理系統(tǒng)。系統(tǒng)采用支持向量機(jī)等機(jī)器學(xué)習(xí)方法（SVM），避開從歸納到演繹的傳統(tǒng)過程，實(shí)現(xiàn)高效地從訓(xùn)練樣本到預(yù)報(bào)樣本的“轉(zhuǎn)導(dǎo)推理”，大大簡化傳統(tǒng)的分類和回歸等問題。已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人日志及分析查詢系統(tǒng)、基于物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的狀態(tài)監(jiān)控與預(yù)測性維護(hù)、基于大數(shù)據(jù)的機(jī)器人換油策略以及機(jī)器人智能化PM管理等多種效益明顯的功能，實(shí)現(xiàn)智能管理與預(yù)測性維護(hù)。整合資源，精益生產(chǎn)，僅通過機(jī)器人換油方案的優(yōu)化，節(jié)省費(fèi)用到達(dá)700余萬元。通過大數(shù)據(jù)平臺提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患并排除，避免停機(jī)造成的產(chǎn)量損失與人力浪費(fèi)。

3.4 機(jī)器人系統(tǒng)安全與備份管理

使用KUKA機(jī)器人虛擬PC機(jī)，完成硬盤格式化、工藝包安裝及防病毒軟件升級等工作。機(jī)器人控制軟件運(yùn)行于XP+VxWrks平臺，既可以提供良好的人機(jī)交互界面，又能提供精確的實(shí)時(shí)控制。KUKA WrokVisual軟件架構(gòu)的模塊化結(jié)構(gòu)把一個(gè)項(xiàng)目的所有步驟融合到同源的軟件環(huán)境中，它可以被同時(shí)用作工作單元配置的規(guī)劃工具和通用編程環(huán)境。從規(guī)劃到編程，再到優(yōu)化，WorkVisual通過為所有的工具匹配統(tǒng)一的外觀而簡化了所有的自動(dòng)化任務(wù)。

KUKA機(jī)器人系統(tǒng)軟件運(yùn)行在WindowsXP操作系統(tǒng)下，機(jī)器人控制器KPC結(jié)構(gòu)類似普通的PC架構(gòu)。在裝焊車間的工業(yè)環(huán)境下運(yùn)行，機(jī)器人PC軟件和硬盤都存在著系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)和硬盤損害現(xiàn)象。出現(xiàn)此類現(xiàn)象，需要更換硬盤并在線安裝控制系統(tǒng)和相關(guān)工藝包。系統(tǒng)恢復(fù)完成以后，還要進(jìn)行機(jī)器人程序的恢復(fù)工作。大量占用生產(chǎn)時(shí)間，造成長時(shí)間的設(shè)備停機(jī)。

為了實(shí)現(xiàn)KUKA機(jī)器人系統(tǒng)故障的快速恢復(fù)，采用了多種方法進(jìn)行保障。首先，將機(jī)器人控制器上使用的機(jī)械硬盤更換成固態(tài)硬盤，提高硬盤的啟動(dòng)速度與穩(wěn)定性，減少由于硬盤自身質(zhì)量問題造成的停機(jī)。

圖9 機(jī)器人系統(tǒng)管理策略

3.5 機(jī)器人預(yù)測性維護(hù)開發(fā)

MQTT協(xié)議（Message Queuing Telemetry Transport），翻譯過來就是遙信消息隊(duì)列傳輸。基于這一協(xié)議，將開發(fā)好的客戶端安裝到KUKA機(jī)器人操作系統(tǒng)內(nèi)，并搭建可以接收數(shù)據(jù)的服務(wù)器，數(shù)據(jù)以訂閱的方式進(jìn)行發(fā)送。

圖10 MQTT協(xié)議概念

使用MQTT協(xié)議將生產(chǎn)線上的機(jī)器人的監(jiān)控信號引入大數(shù)據(jù)平臺，并使用本系統(tǒng)對相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，可以提高機(jī)器人的維護(hù)效率。針對相關(guān)大數(shù)據(jù)模型對實(shí)時(shí)監(jiān)控信號進(jìn)行監(jiān)控，利用大數(shù)據(jù)和AI分析預(yù)測可能的相關(guān)報(bào)警，可以提前對可能發(fā)生的生產(chǎn)事故進(jìn)行干預(yù)，防止工業(yè)生產(chǎn)線因?yàn)闄C(jī)器人故障造成停產(chǎn)。

VB65 020RB_100機(jī)器人5軸因花鍵軸磨損，導(dǎo)致了1次大停機(jī)。分析該機(jī)器人5軸電機(jī)最大扭矩運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在1個(gè)月前，該電機(jī)的最大扭矩出現(xiàn)了1次異常的高峰，該次高峰極有可能造成了5軸花鍵軸的部分損傷，隨著時(shí)間的推移，該損傷不斷擴(kuò)大，最后導(dǎo)致了花鍵軸鍵槽的磨損并釀成了大停機(jī)。

圖11 機(jī)器人A5軸磨損預(yù)測性維護(hù)案例

圖12 機(jī)器人基于大數(shù)據(jù)的預(yù)測性維護(hù)看板

借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，北京奔馳建立基于MQTT數(shù)據(jù)傳輸，ElasticSearch數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，Kibana數(shù)據(jù)展示的高效平臺。ElasticSearch支持全文檢索的特性，使機(jī)器人日志分析變得得心應(yīng)手。通過維護(hù)機(jī)器人積累的經(jīng)驗(yàn)，截取出日志中能夠?qū)е峦C(jī)的關(guān)鍵信息，并且實(shí)時(shí)監(jiān)控這些關(guān)鍵信息，單臺機(jī)器人出現(xiàn)高發(fā)時(shí)，能夠在大停機(jī)前靈活調(diào)整時(shí)間提前做好有針對性的糾正性維護(hù)。如圖12所示，監(jiān)控信息涵蓋了機(jī)器人運(yùn)行總線、機(jī)器人驅(qū)動(dòng)報(bào)警、機(jī)器人跟隨誤差等關(guān)鍵停機(jī)因素。

圖13為機(jī)器人跟隨誤差超標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)與機(jī)器人二軸平衡缸異常強(qiáng)相關(guān)。但是，該信息不會(huì)停留在機(jī)器人試教器上，不去查看日志無法獲取，而平衡缸的檢查周期為3個(gè)月。兩者相較，效率高下自然一目了然。

圖13 機(jī)器人平衡缸數(shù)據(jù)報(bào)警預(yù)測性維護(hù)案例

4 實(shí)施效果

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

通過機(jī)器人機(jī)電備件維修中心，已可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人平衡缸、機(jī)器人中心手、控制柜CCU主板X3端口、PC風(fēng)扇以及示教器等常用備件的自維修。機(jī)器人負(fù)載測試站已可實(shí)現(xiàn)在負(fù)載狀態(tài)下進(jìn)行機(jī)器人KPP電源模塊、PC主機(jī)、CCU主板、電機(jī)等負(fù)載運(yùn)行測試流程及數(shù)據(jù)監(jiān)控分析，保證備件可靠性。

4.2 保證備件精度

長期的設(shè)備帶載運(yùn)行會(huì)造成中心手漏油、中心手異響等問題。如果未經(jīng)運(yùn)行精度測試的返修中心手應(yīng)用于現(xiàn)場，將導(dǎo)致機(jī)器人運(yùn)行軌跡出現(xiàn)偏差，直接影響產(chǎn)品品質(zhì)，質(zhì)量判定不合格。甚至?xí)斐蓹C(jī)器人碰撞，嚴(yán)重?fù)p壞設(shè)備。

機(jī)器人運(yùn)行精度測量平臺的應(yīng)用，利用MSB大數(shù)據(jù)平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，與正常數(shù)據(jù)模型進(jìn)行比對合成，判斷機(jī)器人精度是否滿足要求。

4.3 實(shí)現(xiàn)智能化管理與預(yù)測性維護(hù)

基于物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的大數(shù)據(jù)平臺開發(fā)應(yīng)用，建立起了機(jī)器人大數(shù)據(jù)預(yù)測性維護(hù)（PDM）智能管理系統(tǒng)。預(yù)測性維護(hù)擺脫了機(jī)器人“重癥搶救式維修工作”的模式，建立起了機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)動(dòng)態(tài)監(jiān)控及預(yù)測性維護(hù)工作，對設(shè)備健康程度有效監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)重大故障的提前預(yù)知與前期處理。可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控、分析機(jī)器人故障根本原因、智能化管理預(yù)防性維護(hù)工單、優(yōu)化機(jī)器人換油方案等多種效益明顯的功能，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

5 結(jié)語

焊裝車間負(fù)責(zé)車身的制造，其高度自動(dòng)化依賴于大量的機(jī)器人與相關(guān)技術(shù)。機(jī)器人的Workshop建立與應(yīng)用，針對機(jī)器人形成了專門的體系，從軟、硬件方面實(shí)現(xiàn)全方位的機(jī)器人維護(hù)管理。通過智能化手段，全方位實(shí)現(xiàn)兩維修、兩維護(hù)與一改進(jìn)。